1. Las ómicas en el desarrollo de nuevos fármacos - CORE

1. Las ómicas en el desarrollode nuevos fármacos

MARÍA JOSÉ GÓMEZ-LECHÓN yMARÍA CÁSCALES ANGOSTO

1. RESUMEN

Las nuevas metodologías ómicas, junto con las aportaciones de los métodosin vitro e in silico, constituyen en la actualidad una estrategia farmacológica mul-tidisciplinar para el desarrollo de herramientas terapéuticas con una utilidad y efi-cacia sin precedentes. El desarrollo de un nuevo medicamento es un proceso lar-go y costoso cuyo objeto es investigar en distintas fases, preclínicas y clínicas,que el nuevo fármaco reúne los requisitos de eficacia terapéutica y seguridad,exigidos para su comercialización y administración al ser humano. El progresode la Farmacología y, en lógica consecuencia, de la Terapéutica, se han relacio-nado estrechamente con el progreso de disciplinas tales como la química, la bio-química, la clínica y muy particularmente con la biología molecular, la biotec-nología y la bioinformática. En el desarrollo de un nuevo medicamento hay queconsiderar que la investigación ha de ir unida a una simultánea toma de decisio-nes. La interacción de todas estas disciplinas y tecnologías ha incrementado laeficacia del descubrimiento de fármacos mediante el diseño in silico de nuevasentidades moleculares de potencial acción farmacológica, cuya consecuencia esla generación rápida y eficiente de nuevas estructuras químicas. Gran parte delos estudios, que se llevan y se han llevado a cabo habitualmente en animales deexperimentación, aún siendo de gran valor para la evaluación del riesgo tóxico,proporcionan resultados que no siempre han podido ser extrapolados al hombre.Por ello, conocer de antemano cuál es el modelo animal idóneo es la manera máseficaz de reducir el uso innecesario de animales y una de las maneras de contri-buir a una investigación más racional y sólida desde el punto de vista científicoy más humana desde el punta de vista ético

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2. INTRODUCCIÓN

Durante cientos de años el poder terapéutico de las plantas ha sido la basede la farmacología, hasta que la química moderna las fue desplazando paulati-namente. A finales del siglo XIX se empezaron a aislar los principios activos dealgunas especies vegetales, a modificar sus moléculas y a tratar de sintetizarlasen el laboratorio. Esto dio lugar a un sinfín de compuestos químicos que fue-ron los cimientos de los medicamentos de síntesis, y determinó el inicio de laFarmacología moderna. Hoy en día, el desarrollo de un nuevo medicamento esuna empresa de elevado riesgo que requiere un notable esfuerzo humano y derecursos técnicos y económicos. Es un proceso complejo en el que la investi-gación y la simultánea toma de decisiones, van encaminadas a la identificacióny validación de una diana de terapéutica, tratando de seleccionar, entre un im-portante número de compuestos derivados de un cabeza de serie, aquél que porsus características farmacológicas y menor toxicidad y/o efectos adversos seamás eficaz, seguro y de fácil manejo clínico.

En todo proceso de desarrollo farmacéutico se pueden distinguir dos fasesbien diferenciadas (Tabla 1): Pre-clínica y Clínica. La fase pre-clínica (Figura 1)está destinada a identificar aquél compuesto que por sus prometedoras caracte-rísticas puede ser administrado a seres humanos, bajo formas y modos controla-dos, con el fin de determinar su eficacia terapéutica en la fase siguiente o faseclínica.

Los estudios clínicos se desarrollan en varias etapas bien diferenciadas: des-de los estudios en grupos de voluntarios seleccionados hasta los estudios mul-

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ticéntricos para conseguir el registro sanitario del nuevo fármaco y finalmentesu comercialización (Figura 2). La experiencia demuestra que la probabilidadde que un compuesto termine convirtiéndose en un nuevo medicamento, es re-ducida. En líneas generales, la causa principal de la interrupción del desarrollode un nuevo fármaco en su fase clínica, suele ser la existencia de efectos ad-versos inesperados, mientras que la falta de eficacia terapéutica contribuye deforma muy reducida.

En el proceso de evaluación de medicamentos confluyen numerosas activida-des, todas ellas dirigidas a demostrar su eficacia, una relación beneficio-riesgo fa-vorable y un coste-eficacia óptimo (1,2). El desarrollo y la introducción de un fár-maco en el arsenal terapéutico ha exigido y exigirá un impresionante trabajomultidisciplinar en el que se incluye la colaboración de químicos, biólogos mole-culares, toxicólogos, farmacólogos básicos y clínicos, economistas y estadísticos y

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LAS ÓMICAS EN EL DESARROLLO DE NUEVOS FÁRMACOS

FIGURA 1. Fases pre-clínicas en el desarrollo de un nuevo medicamento. Selección de unamolécula candidata para desarrollo a partir de varios derivados de un cabeza de serie,

por sus características farmacológicas y menor toxicidad y/o efectos adversos para que sea eficaz, seguro y de fácil manejo clínico.

supone un considerable esfuerzo intelectual y un enorme costo económico. Y elloen condiciones óptimas, cuando no se detectan efectos adversos que obligan a sus-pender el desarrollo del fármaco en fases avanzadas o una vez comercializado. Lafarmacoepidemiología se ocupa de velar por este asunto. En todo caso tenemos queaceptar el riesgo que implica el uso de los medicamentos, como aceptamos los ries-gos de otras muchas actividades cotidianas. En los albores del siglo XXI, a dife-rencia con el pasado, los fundamentos para la investigación y desarrollo de nuevosfármacos se han de apoyar sobre todo en la biología molecular, el genoma y pro-teoma, la biotecnología, la química combinatoria, la bioinformática y la robótica,al margen de la Farmacología y la Clínica.

Los progresos en conocimiento de los mecanismos moleculares por los quese producen las enfermedades han conseguido llegar al diseño de fármacos queactúan sobre moléculas concretas. Estos fármacos intentan reproducir aquellasfunciones celulares que se han alterado por el estado patológico. Sin embargo,las relación entre la funcionalidad celular y las múltiples acciones de las sus-tancias son siempre muy complejas. Así, una misma sustancia puede llevar aproducir efectos completamente opuestos dependiendo de la situación en que seencuentre el organismo. Por ello, el desarrollo de nuevos fármacos continua en-frentándose a la barrera de la eficacia.


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FIGURA 2. Fases clínicas en el desarrollo de un nuevo medicamento. Los estudios clínicos sedesarrollan en varias etapas bien diferenciadas, desde los estudios en grupos seleccionados

de voluntarios hasta los estudios multicéntricos necesarios para conseguirel registro sanitario del nuevo fármaco y su comercialización.

En resumen, los compuestos son examinados durante la fase pre-clínica bajodos criterios básicos:

a) que ejerzan una actividad farmacológica definida y

b) que posean una tolerancia lo suficiente elevada de manera que existauna ventana terapéutica suficientemente amplia.

Se puede afirmar que han cambiado las técnicas pero no los objetivos. Eneste sentido, la farmacología se ha beneficiado extraordinariamente de la posi-bilidad de utilizar, no sólo la estrategia multidisciplinar anteriormente mencio-nada, sino también los nuevos métodos in vitro e in silico, y las nuevas tecno-logías denominadas genéricamente ÓMICAS (genómica, proteómica,metabolómica y citómica), de gran ayuda para descubrir y desarrollar nuevasherramientas terapéuticas (Figura 3).

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FIGURA 3. Integración de las nuevas tecnologías Ómicas para el estudio de nuevos fármacos.La genómica se ocupa de descifrar el genoma de los seres vivos, así como sus funciones, suregulación y su transmisión. La proteómica se ocupa de investigar la función y regulación

de las proteínas codificadas por el genoma (proteoma), por ejemplo las modificacionespostraduccionales. La citómica y metabolómica, las más recientes ómicas, se

encargan de relacionar el proteoma con la estructura y función celulares.

3. NUEVAS ESTRATEGIAS PARA EL DESCUBRIMIENTO Y ESTUDIO DE NUEVOS FÁRMACOS

El estudio pre-clínico comprende una fase inicial de desarrollo químico en-caminado a la síntesis y selección de nuevas moléculas candidatas, seguida porla investigación de su potencial acción farmacológica, y finalmente de la eva-luación de su seguridad. La clave del éxito durante el proceso de investigacióny desarrollo de nuevas moléculas es que posean ciertas propiedades favorables:actividad biológica y solubilidad adecuadas, capacidad para atravesar barrerascríticas (intestinal y/o hematoencefálica), razonable estabilidad metabólica, y se-guridad en su administración al hombre.

3.1. Descubrimiento de moléculas candidatas

La búsqueda de moléculas prototipo es la fase más arriesgada del procesodel desarrollo de un fármaco (Figura 4A).

¿Qué es un prototipo? Es un producto, de cualquier origen, con actividaden relación con una determinada diana terapéutica. La búsqueda de prototiposse puede realizar utilizando diferentes aproximaciones:

a) la mejora de fármacos ya existentes

b) el aprovechamiento de la información biológica ya existente (etnofar-macología, efectos secundarios, productos industriales, observaciones enanimales)

c) las aproximaciones racionales

d) el cribado sistemático (extensivo, indiscriminado o de alto rendimiento).

¿Qué hacer cuando se dispone de un prototipo? Como muestra la Figura 4B,existen varias estrategias para estudiar y/o modificar la molécula y convertirla enun compuesto cabeza de serie, candidato para ser desarrollado. En la actualidadlas técnicas de la química combinatoria predominan sobre cualquier otro tipo deaproximación, sin perder de vista la creciente influencia que la biología molecu-lar tiene también en este campo. Nos encontramos en una nueva era para el des-cubrimiento de fármacos (drug discovery), en la cual es posible desarrollar nue-vos agentes cuya diana terapéutica sea una proteína o una actividad biológicadeterminada de la célula. La clave de todo ello ha sido el extraordinario progre-so en el conocimiento de la biología celular y molecular y los recientes avances


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científicos y técnicos que han permitido la secuenciación del genoma humano,sin olvidar el incremento de nuevos métodos de cribado (throughput) para des-cubrimiento y desarrollo de fármacos (3, 4).

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FIGURA 4. Descubrimiento de nuevos fármacos. (A) Búsqueda de una molécula prototipo. (B) Estrategias para modificar un prototipo y convertirlo en una molécula cabeza de serie.

La química combinatoria constituye una estrategia emergente en respuestaa la necesidad de la industria farmacéutica de generar de forma rápida y efi-ciente nuevas estructuras químicas y de optimizar y agilizar la selección de nue-vas moléculas cabeza de serie con potencial actividad biológica. Todo ello hacontribuido de forma decisiva en los últimos años a aumentar el éxito en el des-cubrimiento de nuevos fármacos (5-7). Esto es así hasta el punto de ser posibleidentificar entre múltiples moléculas aquellas que puedan tener una potenciali-dad farmacológica y en última instancia terapéutica. La química combinatoriaen fase sólida o líquida representa el avance de mayor relieve en nuestros díasen el área de la química de síntesis. La tecnología actualmente disponible per-mite identificar, obtener y separar compuestos con posible interés farmacológi-co con una rapidez que era impensable hace pocos años. Los métodos matemá-ticos QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship) se basan en el hechode que la actividad biológica de un fármaco es función de su estructura. Por tan-to, mediante la definición de una serie de descriptores moleculares es posiblepredecir, a partir de una serie de exploración moderadamente pequeña, un com-portamiento general para una familia de estructuras, y sobre esta base diseñarnuevos fármacos. Por otra parte, la utilización de descriptores moleculares to-pológicos para el diseño de fármacos hace posible la obtención de nuevos com-puestos cabeza de serie sin necesidad de conocer su mecanismo de acción (8).Asimismo, la adición o cambio de ciertos sustituyentes en las moléculas, per-mite modificar un gran número de propiedades tales como la solubilidad, la den-sidad electrónica, la conformación, la biodisponibilidad o las posibles interac-ciones. El desarrollo de los llamados uHTS (ultra-high throughput screeningmethods) o métodos de cribado ultrarrápido de alto rendimiento, está permi-tiendo, mediante el uso de sistemas celulares, caracterizar y cuantificar con ra-pidez, precisión seguridad y sensibilidad las moléculas obtenidas; hasta 50-60.000 por semana. Claro está que cuando se trata de estudios sobre metabolismoy farmacocinética (DNPK. Drug Metabolism and Pharmacokinetic), los méto-dos de cribado rápido no superan las 100 moléculas por semana. En cuanto alos métodos de cribado in vivo, un rendimiento de 10 moléculas por semanapuede considerarse elevado si se piensa que la metodología convencional a du-ras penas puede evaluar un solo compuesto. La química combinatoria ha per-mitido disponer de grandes y valiosas bibliotecas de moléculas con muchos ca-bezas de serie con potencial interés farmacológico. Hace tan solo pocos añoscerca del 40% de los medicamentos autorizados fueron obtenidos mediante quí-mica combinatoria. Este progreso no habría sido posible sin la colaboración deuna disciplina puntera, la bioinformática, que permite el tratamiento de datos auna escala impensable hace pocos años.


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3.2. Genómica y proteómica

La biología molecular ha impulsado el proyecto Genoma Humano que seinició en 1990 y los avances tecnológicos han hecho posible que su secuenciahaya sido terminada el año 2000. El genoma humano parece estar compuestode alrededor de 40.000 genes que se transcriben en aproximadamente 250.000moléculas de RNA (transcriptoma) que tras ser procesadas se traducen en pro-teínas, cuya modificacion post-traduccional resulta en mas de un millón de pro-teinas que constituyen el proteoma.

Se define como genómica a la disciplina que se ocupa de descifrar el genomade los seres vivos, es decir el conjunto de los genes de una especie dada, así comosus funciones, su regulación y su transmisión. Por extensión, la genómica es tambiénla ciencia que permite influir sobre los genes con un objetivo particular. El desarro-llo reciente de la tecnología de microarrays de DNA, también llamados chips o mi-crochips de DNA permite fijar covalentemente a un soporte sólido (vidrio, nitroce-lulosa, nylon etc.), desde centenares hasta decenas de miles de sondas moleculares(fragmentos de DNA de secuencia conocida, proteínas, etc), o bien genotecas com-pletas, en un espacio muy reducido. Esto supone un gran avance tanto en escaladocomo en sensibilidad de detección, ya que los volúmenes de trabajo son muy pe-queños, lo que supone a su vez mayores concentraciones de reactivos y cinéticas dehibridación más rápidas. Los microarrays de DNA son las herramientas que permi-ten investigar de forma amplia la respuesta celular a través de los cambios en la trans-cripción del genoma a nivel del mRNA. Como consecuencia de lo anterior, la can-tidad de información que se está generando es enorme y por tanto ha sido necesarioel desarrollo en paralelo de potentes herramientas bioinformáticas que permitan al-macenar y analizar los datos obtenidos. La identificación de genes proporciona unanueva y paradigmática forma de entender la enfermedad humana, al nivel más fun-damental. Por otra parte el conocimiento del control genético de las funciones celu-lares constituirá la piedra angular de futuras estrategias para la prevención y trata-miento de la enfermedad. Desde el punto de vista farmacológico el conocimiento delgenoma y con ello la identificación y validación de nuevas dianas a nivel molecular,representa una herramienta de incalculable valor para el desarrollo de nuevos fár-macos con potencialidad terapéutica en el futuro (9). De hecho casi cada semana sepublica un nuevo abordaje terapéutico para ciertas enfermedades como consecuen-cia del desarrollo exponencial de las nuevas dianas a nivel molecular.

La farmacogenética en nuestros días se ha convertido en una herramienta paraoptimizar la eficacia terapéutica (10). Esta disciplina estudia la relación entre elgenotipo individual y la capacidad para metabolizar sustancias exógenas; fárma-

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cos en este caso particular. Se puede entender perfectamente qué diferencias en elmetabolismo de fármacos pueden ocasionar signos de toxicidad severa o fallos te-rapéuticos no menos graves (11). Por ejemplo la isoenzima del citocromo P-450,CYP 2D6, metaboliza más de 40 fármacos corrientemente prescritos y el poli-morfismo de este gen afecta la respuesta terapéutica de no menos del 20% en cier-tos grupos étnicos. ¿Quién duda ahora del interés de los técnicos de genetotipadoen la clínica? Además en el campo del diagnóstico molecular la existencia de po-limorfimos genéticos de un solo nucleótido abre la posibilidad de asociar altera-ciones genéticas puntuales con alteraciones patológicas mayores.

La proteómica consiste en el estudio del proteoma. El término proteoma fueacuñado para definir el conjunto de proteínas codificadas por el genoma de un or-ganismo dado (12, 13). La proteómica se ocupa de investigar la función y regu-lación de las proteínas codificadas por el genoma, por ejemplo las modificacio-nes post-traduccionales (fosforilación, glicosilación, acetilación, y sulfatación), elplegamiento tridimensional y la degradación e interacción entre proteínas, asícomo su localización específica subcelular, su abundancia relativa y los cambiosen respuesta a estímulos, con objeto de identificar su función en el contexto delorganismo (14, 15). Las técnicas utilizadas para el análisis proteómico incluyenla extracción de las proteínas de un tejido dado, seguido de su separación y cuan-tificación mediante electroforesis bidimensional y posterior análisis por espectro-fotometría de masas (MS) e identificación con la ayuda de bancos de datos quealmacenan información sobre estructuras de polipéptidos (14). Finalmente, se pro-cede a la caracterización, secuenciación de los aminoácidos, las modificacionespost-traduccionales y las interacciones entre ellas. La proteómica ofrece un abor-daje alternativo, y complementario de la tecnología genómica, para la identifica-ción y validación de dianas proteicas para los fármacos y para la descripción delos cambios en la expresión proteica bajo la influencia de la enfermedad o el tra-tamiento con fármacos. Las proteínas son las principales dianas para el descubri-miento fármacos. De hecho la industria farmacéutica tiene un gran interés en laproteómica con vistas al valor de este tipo de tecnología aplicada al estudio de latoxicidad, descubrimiento y desarrollo de nuevos fármacos (16).

3.3. Metabolómica y citómica

Las mas recientes ómicas (citómica y metabolómica) se encargan de rela-cionar el proteoma con la estructura y función celulares. La multitud de prote-ínas que constituyen el proteoma participan en complejas vías de transducciónde señales que controlan el metabolismo del organismo y los tejidos, y conse-


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cuentemente influyendo en la síntesis y degradación de pequeñas moléculas. Eneste contexto, la metabolómica es una ómica emergente que se ocupa de estu-diar el status fisiológico de un organismo, órgano, tejido o célula determinadosmediante el análisis de la concentración del número mas amplio posible de pe-queñas moléculas no proteicas o metabolitos sintetizados endógenamente. Esteconjunto de moléculas de un organismo o tejido determinado constituye su per-fil bioquímico o metaboloma, y los estudios comparativos del metaboloma per-miten detectar y analizar de forma muy sensible la naturaleza de cualquier cam-bio de la fisiología celular o tisular (17, 18). Los recientes avances en losmétodos bioanalíticos (LC, MS, LC-MS, NMR, etc), han hecho posible la me-dida rutinaria de cientos de parámetros metabolómicos con gran sensibilidad yprecisión. A diferencia de otras ómicas, las determinaciones metabolómicas pue-den ser cuantitativas, abriendo la posibilidad de realizar estudios estadísticos yrecoger la información en bancos de datos. Determinar la relevancia bioquími-ca de las moléculas analizadas constituye la base del análisis metabolómico.

La metabolómica posee un gran potencial para los programas de desarrollode fármacos. Los programas deben empezar definiendo el perfil metabolómicodel estado fisiológico normal o sano, de tal modo que cualquier desviación conrespecto al perfil normal, por definición, se considera anormal o indicativo decualquier enfermedad (19). La información que ofrece esta nueva ómica es deextraordinario valor y utilidad en el desarrollo de nuevos fármacos. Por una par-te, el descubrimiento de potenciales dianas terapéuticas puede realizarse anali-zando las diferencias entre los perfiles metabolómicos de tejidos normales y en-fermos. Se considera una diana potencial aquella que devuelve el equilibriofisiológico a la normalidad. Esta metodología puede aplicarse también para laoptimización de los compuestos candidatos a cabeza de serie. Para ello, la es-trategia consiste en determinar cuál de ellos muestra el perfil bioquímico máspróximo al de la línea celular en la cual el gen diana ha sido inactivado, o cuálde ellos produce menos reacciones secundarias en un determinado modelo bio-lógico. Esta información permite a su vez controlar el proceso de desarrollo delos candidatos seleccionados. Finalmente, puede llevarse a cabo la recuperaciónde candidatos que en el uso clínico no han mostrado eficacia terapéutica en al-gunos pacientes, realizando un estudio comparativo de los metabolomas de pa-cientes en los que el fármaco ha sido eficaz y en los que no lo ha sido.

La citómica se define como la ciencia de análisis celular que integra los co-nocimientos de la genómica y la proteómica con la función dinámica de los sis-temas celulares complejos, es decir de los citomas mediante el análisis de cé-lulas individuales. La proteómica está muy relacionada con la genómica

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funcional (15), y próxima a la citómica como el área de investigación de la fun-ción dinámica de las células vivas. La morfología y estructura celulares influ-yen a menudo en el metabolismo y en la función celular. La función o la pér-dida de la función induce al organismo a comportarse con normalidad o de formaanormal. La citómica tiene como objetivo definir exhaustivamente el fenotipomolecular aparente de una célula, que resulta de la interacción entre el genoti-po del individuo y la exposición a factores externos e internos. El futuro de mu-chas áreas de la biotecnología, tal es el caso del desarrollo de nuevos agentesterapéuticos requiere un conocimiento profundo del citoma. La citómica cons-tituye el nexo de unión entre la biología molecular y celular y su desarrollo hasido posible gracias a las nuevas y potentes tecnologías citofotométricas, espe-cialmente la citometría de flujo y la microscopía confocal, basadas en el análi-sis multiparamétrico de células individuales. La integración de estas técnicasunida a los análisis bioinformáticos constituye una poderosa herramienta parael estudio de la funcionalidad celular de especial relevancia para el descubri-miento de potenciales dianas terapéuticas, así como para investigar y predecirefectos a nivel celular de los fármacos en tejidos normales y enfermos (20).

4. NUEVAS ESTRATEGIAS PARA EL DESARROLLO PRECLÍNICODE NUEVOS FÁRMACOS

4.1. Modelos in vitro para el estudio de fármacos

En el desarrollo de un nuevo medicamento se utiliza un importante núme-ro de animales de experimentación, con el ánimo de detectar aquellos com-puestos, o dosis, potencialmente tóxicas para el hombre. Las actuales regula-ciones internacionales (OCDE, EMEA, FDA) requieren que los datos de eficaciaclínica y seguridad se hayan llevado a cabo en, al menos, dos especies anima-les (Tabla 2). Nada se dice sin embargo sobre qué especies debiera utilizarse, sibien lo más frecuente es que se escoja un roedor (ratón o rata) y un no roedor(perro, mini cerdo) o un primate.

La opinión pública, que por una parte demanda compuestos más eficaces ytambién más seguros, está, por otro lado, cada vez más sensibilizada en contra dela utilización de animales para este tipo de ensayos. Sin embargo, una nueva con-ciencia sobre un uso limitado y más racional de los animales de experimentaciónha tomado carta de naturaleza en nuestro entorno cultural próximo, y la demandasocial, expresada a través de distintos grupos sociales y políticos, se ha traducido


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en una mayor presión sobre industrias y gobiernos para sustituir los ensayos conanimales por métodos alternativos. El propio Parlamento Europeo se hizo eco deesta demanda social tomando la iniciativa legislativa en su directiva (86/609/CEE).Ello ha potenciado de forma extraordinaria el desarrollo de los modelos in vitro,alternativos a la experimentación animal, para estudios de actividad farmacológi-ca y toxicológica en estas fases iniciales del desarrollo que permiten de manera efi-caz, reducir el número de posibles candidatos a fármaco (Figura 5).

Por otra parte, no se puede olvidar que si el destino último del fármaco es suutilización en seres humanos y éstos, por razones éticas, no pueden ser utilizadosen las etapas iniciales del desarrollo del fármaco, parece que sería lógico, el uti-lizar para estudios de farmaco-toxicología aquellos modelos in vitro que más seaproximen al ser humano. Ello permite una correcta elección del modelo animal,lo que es determinante a la hora de extrapolar los datos de animales al ser huma-no. La idea de que la mayor parte de los efectos observables en el animal (tantofarmacológicos como toxicológicos), son escalables en función de parámetros ta-les como peso, tamaño relativo del órgano, superficie corporal, etc. tienen en elmetabolismo quizás la prueba más evidente de su inexactitud. La acción farma-cológica de un compuesto in vivo depende de la accesibilidad de dicho compues-to al órgano(s) diana, y que lo haga en un rango de concentración determinado,por encima o por debajo del cual o no ejercerá una acción eficaz o bien manifes-tará reacciones adversas. Conocer si el modelo animal que pretende utilizarse secomporta de manera similar al ser humano, es esencial de cara a un uso racional

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de los animales, en aquellos experimentos en los que ineludiblemente deba ha-cerse uso de ellos. Dado que en la fase pre-clínica del desarrollo no sería ética-mente aceptable el que dicho compuesto pudiese ser administrado a seres huma-nos, y que sin saber cuál sería su comportamiento es difícil decidir cuál es elmodelo animal idóneo para su estudio, se entra en un círculo vicioso del que sóloes posible salir mediante estudios comparativos del metabolismo hechos en célu-las humanas y de animales. La disponibilidad de cultivos de células humanas dediferentes órganos y tejidos permite una mayor aproximación al ser humano. Eneste contexto, los modelos celulares hepáticos de origen humano, constituyen laherramienta idónea para abordar estudios encaminados a predecir en humanos latoxicidad y el metabolismo hepáticos de nuevas moléculas (21,22)

Por su propia naturaleza los modelos in vitro son una simplificación de unarealidad mucho más compleja como es el ser vivo, y por ello la información queson capaces de proporcionar es en muchas ocasiones parcial. Aún así, hoy endía, no cabe ninguna duda de que ofrecen ventajas intrínsecas muy destacablespara la evaluación de nuevos fármacos, dada su simplicidad, disponibilidad, bajocoste, fácil control de las variables experimentales, necesidad de cantidades muypequeñas de la molécula en estudio, y la posibilidad de realizar los estudios enetapas muy tempranas del desarrollo.


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FIGURA 5. Nuevas estrategias para el desarrollo preclínico de nuevos fármacos. Si el destino úl-timo del fármaco es su utilización en seres humanos y éstos, por razones éticas, no pueden serutilizados en las etapas iniciales del desarrollo del fármaco, parece que sería más lógico, el uti-lizar para estudios de farmaco-toxicología aquellos modelos in vitro que más se aproximen al serhumano. Ello permite una correcta elección del modelo animal, lo que es determinante a la hora

de extrapolar los datos de animales al ser humano.

4.2. Investigación del ADMET en fases preclínicas

En las última década, la consecuencia de la implementación de sistemas decribado de alto rendimiento (HTS) en las fases de descubrimiento de fármacos(drug discovery), ha sido el aumento considerable del número moléculas cabe-za de serie que podrían ser seleccionadas para desarrollo. La investigación pre-clínica de los parámetros del ADME: absorción, distribución, metabolismo y ex-creción de nuevos fármacos ha experimentado recientes avances técnicos. Lamolécula candidata a desarrollo ha de ser activa en humanos, con un adecuadoADME y segura. La utilización de modelos in vitro e in silico, así como la in-troducción de métodos automatizados de análisis de las moléculas y procesa-miento computarizado de los datos, permite realizar este tipo de estudios mu-cho antes de lo que era habitual, hace tan solo una década, e incrementarsignificativamente la eficiencia y el número de moléculas analizadas, todo ellocon gran ahorro de tiempo y costos (23-26). Gran parte del esfuerzo se ha diri-gido al diseño de modelos matemáticos, denominados in silico, para la predic-ción y evaluación experimental de las propiedades farmacocinéticas de formafiable a partir de la estructura química de un compuesto con el uso de técnicasbioinformáticas (24, 27-29). Los modelos matemáticos actualmente disponiblespara la predicción del ADME, por ejemplo los QSAR / QSPR (QuantitativeStructure Property Relationship), debido a su naturaleza empírica adolecen detotal fiabilidad y seguridad en las predicciones. Todavía requieren una mayor ymás adecuada definición de los parámetros necesarios para implementar el aná-lisis. Además de la solubilidad, la absorción y el metabolismo de la molécula,es necesario considerar otros aspectos como la conjugación, las proteínas trans-portadoras del fármaco, mejores descriptores moleculares, etc., para optimizarlos modelos (28, 30). Actualmente los modelos in silico no son capaces de re-emplazar totalmente a los modelos convencionales tanto in vitro como in vivo,sin embargo, constituyen un complemento muy valioso para cualquiera de ellos(27, 31). Por tanto, el futuro de los estudios de ADME in silico está en el des-arrollo de modelos mas robustos y con mayor capacidad predictiva.

4.2.1. Estudios de metabolismo

La estabilidad metabólica de una nueva molécula (New Chemical Entity, NCE)hace referencia a su susceptibilidad para ser biotransformada. Los fármacos, ade-más de ejercer una acción farmacodinámica específica sobre un determinado teji-do diana, sufren modificaciones químicas en su tránsito a través del organismo.

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El metabolismo (M) de los fármacos es uno de los factores que más influ-yen en la biodisponibilidad, el efecto farmacológico y la toxicidad. Es un fac-tor determinante en su aclaramiento, es responsable de las variabilidad interin-dividual de la farmacocinética y en consecuencia, de la variación en la respuestaterapéutica tras su administración clínica (32).

Disponer de esta información en etapas tempranas del desarrollo es clavepara la selección y/o el diseño de nuevos fármacos con propiedades farmacoci-néticas más favorables. Es de gran interés para la industria farmacéutica el po-der analizar y optimizar la estabilidad metabólica de un nuevo fármaco duran-te las fases pre-clínicas, cuando todavía no es posible administrarlas al hombre(23). Sin embargo, la predicción de estas propiedades, durante estas fases ini-ciales, solamente puede realizarse in vivo en animales o in vitro utilizando mo-delos celulares, subcelulares o modelos in silico.

4.2.2. Estudios de toxicidad

Unido al ADME, la toxicidad (T) de las moléculas candidatas para el des-arrollo, es otro aspecto que debe ser investigado en las fases pre-clínicas.

Tarea primordial durante las fases de descubrimiento de fármacos es deter-minar el balance entre el riesgo de toxicidad y el beneficio terapéutico del nue-vo fármaco en su posterior uso clínico. Así, un nuevo medicamento se consi-dera tanto más seguro cuando posee un elevado potencial terapéutico y un riesgode toxicidad mínimo o inexistente para el hombre. Estos estudios, que se llevana cabo habitualmente en animales de experimentación, aún siendo de gran va-lor para la evaluación del riesgo tóxico, como se ha indicado anteriormente, pro-porcionan resultados que no siempre son extrapolables al hombre (33, 34) Dehecho, la literatura médica está llena de ejemplos de fármacos, que habiendosido considerados seguros en los estudios rutinarios realizados con animales,han resultado ser tóxicos para el ser humano al ser administrados al hombre alllegar a las fases clínicas (35).

Los recientes avances en el desarrollo de modelos experimentales in vitro(co-cultivos, micromasas, cultivos organotípicos, células madre, células mani-puladas genéticamente, etc.) y la tecnología básica en cribado (HTS) abren nue-vas y prometedoras perspectivas para estudios de toxicidad pre-clínica en las fa-ses iniciales del descubrimiento de fármacos (36). Aunque solamente algunosmétodos in vitro se han aceptado desde el punto de vista regulatorio, otros seencuentran en fase muy avanzada de prevalidación o validación.


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Dos aspectos clave en el desarrollo de fármacos son la predicción y la eva-luación del potencial riesgo de toxicidad de una molécula, y para ello es esen-cial el conocimiento de los mecanismos moleculares implicados en el efecto tó-xico. Durante las fases muy tempranas del desarrollo de fármacos, los métodosin vitro se usan principalmente para el cribado rápido y clasificación de las mo-léculas por su toxicidad. La genómica, la proteómica y las más reciente meta-bolómica y citómica constituyen nuevas y eficaces aproximaciones tecnológicaspara realizar estudios toxicológicos mecanísticos (37). El desarrollo de bancos dedatos sobre perfiles de expresión génica de células diana expuestas a tóxicos mo-delo y a nuevos compuestos, acompañado de la creación de modelos matemáti-cos para analizar e interpretar los datos, hacen posible la predicción del poten-cial tóxico de una molécula a partir de los cambios en el patrón de expresióngénica (19). Examinando estos cambios de expresión, en células y tejidos, en res-puesta a los fármacos, es posible a su vez elaborar hipótesis sobre el mecanismode toxicidad. La toxicología in vitro es un área muy prometedora para abordarestudios mecanísticos considerados clave hoy día para evaluar adecuadamente elriesgo de toxicidad de fármacos. El desarrollo de nuevos modelos y estrategiasexperimentales permitirá abordar estudios de citotoxicidad, respuesta celular, to-xicocinética, modelización, metabolismo, toxicidad del desarrollo, cáncer, pre-dicción de la alergía, desarrollo de biomarcadores, etc., problemas algunos deellos para los que no existen aún modelos in vitro fiables y reproducibles.

4.3. ¿Qué información pueden aportar los modelos celulares en estudiosfarmacotoxicológicos preclínicos?

Los modelos celulares constituyen una alternativa capaz de reemplazar a losanimales para determinados estudios del desarrollo pre-clínico, o de comple-mentar los estudios realizados con éstos. En cualquier caso, su utilización con-tribuye sin lugar a dudas a mejorar el diseño de los estudios pre-clínicos, a au-mentar la seguridad en la futura administración del fármaco en las fases clínicas,y son de gran ayuda para la toma de decisiones durante el desarrollo, hasta elpunto de detenerlo, si los estudios así lo aconsejaran, con el ahorro en tiempoy costo económico que ello puede representar en el la inversión global que re-quiere llevar a término el desarrollo de un nuevo fármaco (25,38-40).

Son varios los modelos celulares de los que se dispone, y debe realizarseuna elección adecuada del tejido y la especie, así como un diseño experimentalcorrecto para responder a cada una de las preguntas durante el desarrollo de unfármaco. Es evidente que la extrapolación in vivo de los resultados experimen-

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tales observados in vitro es, sin lugar a dudas, el aspecto crucial en la utiliza-ción de los modelos celulares. Su valor predictivo, en la evaluación del riesgode toxicidad para el hombre de nuevas moléculas, depende de un análisis muycuidadoso de la información obtenida in vitro y de su correcta elaboración e in-terpretación. En líneas generales, se pueden enumerar varios aspectos en los quela contribución de los estudios in vitro pueden ser clave:

a) Clasificar y ordenar un grupo de moléculas candidatas potenciales para des-arrollo en función de su toxicidad molar. Ello permite identificar los can-didatos más seguros, es decir, seleccionar de un grupo de aquéllas molécu-las farmacológicamente activas y que a su vez manifiesten menor toxicidad.

b) Investigar los efectos de las moléculas a nivel del genoma (genómica),de la expresión proteica (proteómica), sobre la síntesis de metabolitosendógenos (metabolómica), y sobre funciones bioquímicas o estructu-ras específicas del órgano diana (citómica), así como los mecanismosmoleculares responsables de la toxicidad

c) Estimar in vitro la máxima concentración no tóxica de una moléculadada. Se puede estimar el riesgo y la toxicidad potencial in vivo, en casode que la molécula tomara contacto con las células diana a concentra-ciones superiores a la máxima concentración no tóxica.

d) Estudiar y predecir en humanos el metabolismo de nuevos fármacos(metabolitos mayoritarios, metabolitos tóxicos, velocidad y grado demetabolización, parámetros cinéticos).

e) Identificar en humanos la(s) isoenzima(s) del citocromo P450 implica-das de forma especifica en el metabolismo de una molécula dada, asícomo identificar las isoformas del P450 implicadas en la producción decada uno de los metabolitos.

f) Analizar factores que pudieran influir sobre el metabolismo: el estu-dio de posibles interacciones medicamentosas y el potencial efecto in-ducción/inhibición del fármaco sobre las isoenzimas del citocromoP450.

g) Ayudar a elegir la especie animal que se comporta de forma más pare-cida al hombre, desde el punto de vista del metabolismo, frente a uncompuesto determinado para realizar estudios toxicológicos.

h) Es posible simular experimentalmente situaciones difíciles de analizaren modelos animales.


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5. PERSPECTIVAS PARA EL DESARROLLO DE NUEVOS FÁRMACOS DE CARA AL TERCER MILENIO

Se pueden formular un sin fin de preguntas que es de desear seamos capa-ces de dar respuesta en un futuro no muy lejano (41, 42):

¿Qué impacto farmacoterapéutico tendrá el conocimiento detallado del ge-noma humano, ya totalmente secuenciado?

¿Hasta dónde los fármacos antirrechazo y la fabricación de órganos de re-puesto a la carta?

¿Qué haremos con las enfermedades emergentes, las del porvenir, el SIDA,las nuevas enfermedades virales o por priones?

¿Qué haremos con la creciente resistencia de los gérmenes a los antibióti-cos?

¿Hasta donde llegará el diseño molecular de fármacos? ¿Qué aportará laquímica combinatoria, la bioinformática y los ordenadores en el campo te-rapéutico?

¿Seguirán ocupando un lugar estratégico los productos naturales como fuen-te de medicamentos?

¿En qué quedará los efectos adversos de los fármacos?

¿Hasta dónde llegará el problema de los medicamentos huérfanos?

¿Hasta dónde podrá la economía soportar el coste creciente para el desarro-llo y uso clínico de los medicamentos?

Aunque ésta no sea una visión completa de la Farmacología futura, y de susgrandes problemas y soluciones, de lo que no cabe duda es que se investigarán pro-blemas básicos y aplicados desde el punto de vista científico y tecnológico, políti-co, económico, social y sanitario. Vendrán otras enfermedades, pero dispondremosde nuevos medicamentos para su prevención o cura más específicos, eficaces y conmenos efectos adversos que además permitirán mejorar la calidad de vida.

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